폴리카보네이트 수지의 최근 개발 동향
1. 서언
○ 폴리카보네이트(PC)는 2가지의 하이드록시 화합물과 탄산과의 중축합에 의해 얻어진 폴리에스터이다. 1950년대 후반에 개발되어 폴리아마이드 (PA), 폴리아세탈(POM), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 변성 폴리페 닐린에틸(m-PPE)과 5대 범용 엔지니어링 플라스틱(ENPLA)으로 불린다.
○ 범용 엔지니어링 플라스틱 중에서 유일하게 투명하고 내충격성, 내열성, 치수안정성, 자기 소화성, 내후성 등이 우수하여 전기·전자·OA 및 광 미디어, 자동차·차량, 정밀기기, 의료·보안, 건재, 잡화 등 매우 광범 위한 용도로 사용되고 있다. PC는 1990년경부터 광범위한 사용 용도로 급격하게 성장하여 현재는 가장 큰 시장을 갖고 있던 폴리아마이드를 넘어섰다.
2. 제조법
○ PC 제조법에는 용제법과 용융법이 있다. 용제법은 BPA(bisphenol-A)를 알칼리와 함께 용해한 수용액과 물에 불용인 유기용액 현탁액 중에 카 르보닐을 첨가하여 물과 유기 상의 계면에서 반응시키는 방법이다. 일 반적으로 알칼리 성분으로는 수산화나트륨, 유기용매로는 염화메틸렌을 사용한다.
○ 용융법은 DPC(diphenylcarbonate)와 BPA로부터 용매를 사용하지 않고 에스테르교환반응에 의해 PC를 얻는 방법이다. PC 제조공정은 DPC 제조공정과 중합공정으로 이루어진다. 중합공정은 DPC와 BPA의 에스 테르교환반응이므로 공정상 특별한 차이가 없지만 DPC 제조공정에는 여러 가지 방법이 있으며, 제조 코스트나 PC의 품질 면에서도 차이가 있어 용융법 기술 중에서 핵심 기술로 간주된다.
3. 폴리카보네이트의 특징
○ 폴리카보네이트 수지는 우수한 특성을 많이 가지고 있기 때문에 엔지 니어링 플라스틱 수지 중에서 최대의 시장 수요를 가진 대표적인 소재 로 되었다.
그 중요한 특성은 다음과 같다. .
① 플라스틱 가운데 발군의 우수한 내충격성을 가지고 있다.
② 투명 하면서도 광택이 우수하고 유리 전이온도가 145~150℃ 범위이다.
③ 내열성이 양호하고 저온 특성이 우수하여 사용 온도 범위(-100~ 140℃)가 넓고 기계적 성질도 매우 강하다.
④ 흡수성은 최대 0.36% 정도이고 흡습에 의한 변형이 적어 치수 안정성이 우수하며, 정밀성 형 부품에 적합하다. .
⑤ 자기 소화성과 내후성이 양호하고 가혹한 환경(직사광선, 비바람, 기온) 변화에 내성이 있다.
⑥ 비결정성이므로 방향족 탄화수소, 염 소계 탄화수소 등의 용제에 팽윤되고 용해되지만 내마찰성이나 내마 모성은 좋지 않은 편이다.
4. 최근의 개발 동향
○ 복합화 . 다른 수지와 마찬가지로 성형가공성이나 특성의 개량을 위해 여러 가지 수지와의 복합화가 진행되고 있다. 대표적인 수법으로 강화재 나 충전재의 배합과 폴리머 알로이화가 이루어지고 있으며, 유리섬 유나 탄소섬유의 강화재가 많이 사용된다.
. 성형 수축률이나 휨 등 치수 안정성을 위해 판상이나 단섬유상의 무기 충전재도 적절히 사용된다. 실용화되고 있는 대표적인 폴리머 알 로이로는 ABS수지계 알로이와 PET, PBT 등의 방향족 폴리에스터 알로이이다. ABS를 알로이하면 PC의 내열성은 저하되지만 유동성이 개량되고 내충격성에 있어 노치(notch)효과가 낮아지는 이점이 있다.
. PC의 성형 시에 문제점인 유동성이 ABS에 의해 개량됨으로써 박육 화가 가능하므로 OA기기나 자동차 부품 등에 폭넓게 사용되고 있다. 방향족 폴리에스터계 알로이는 PC의 내약품성 개량 등에 효과가 있 어 자동차 분야를 중심으로 사용되고 있다.
○ 난연화: 지금까지 PC의 난연화는 브롬계 난연제가 주로 사용되었지만 RoHS지침 등의 환경규제 때문에 비브롬계 난연제가 검토되어 비브롬 계의 난연 그레이드가 개발되고 있다. 한편, 인계 난연제도 개발되었으 나 내열성 문제로 실리콘계나 금속염 또는 이를 조합하여 내열성이 저 하되지 않는 난연 그레이드가 개발되고 있다.
○ 기타 PC의 시장 개발 중에서 특이한 것으로는 LED조명용 광확산 그레이드, 고굴절률 초복굴절률 그레이드, 고투명성·내약품성 그레이드, 바이오매스 PC, 환경 배려형 고경도 투명 PC 등이 여러 회사로부터 개발되어 용도 확대에 기여하고 있다.
5. 시장 동향과 용도
○ PC는 1990년경부터 엔지니어링 플라스틱 중의 최대 수지로 자리매김 하였다. 2000년경부터 일본 업체가 아시아 각국에서 현지 생산을 개시 하고 계속 증설을 추진하여 2005년에 정점을 찍었다. 2007년까지 수요 는 지속 성장하였으나 2008년의 리먼 쇼크 영향으로 수요가 격감하였 고 이후 박형 TV 등의 영향으로 수요가 회복기조로 전환하였다. 2011 년 동일본 대지진의 충격 영향으로 일부 일본 공장이 가동이 중단되는 등 영향을 받고 있는 상황이다.
○ 2010년의 분야별 수요 구조를 보면 전기·전자·OA기기가 27%, 광학미 디어가 10%, 자동차·차량 14%, 기계 3%, 의료·보안 4%, 압출용(필름, 시트)이 25%, 잡화 기타 17%로 이루어져 있다. 전기전자분야는 각종 하우징이나 기계부품용으로 알로이 그레이드가 많이 사용된다. TV용은 수요가 주춤한 편이지만 스마트 팬(smart fan)이나 아이패드(i-Pad) 등 의 수요는 순조롭게 증가하고 있으며, 앞으로 LED 관련 수요가 늘어날 것으로 기대된다.
○ 광학미디어는 CD의 퇴조로 수요가 감소하고 있으나 블루레이 디스크 등 새로운 수요가 생겨나 기대되고 있다. OA기기 분야는 PC/ABS 알 로이나 충전재 강화 그레이드가 많이 채용되고 있다. 정밀기기, 산업기 계 등에는 유리섬유 강화나 탄소섬유 강화 그레이드가 많이 사용된다.
○ 자동차 차량분야에는 헤드램프, 계기판 등에 내추럴 그레이드가 많이 사용되고 있지만 내외장 부품에는 PC/폴리에스터계 알로이가 사용되 고 있다. 앞으로의 관심은 자동차 경량화를 목표로 한 창유리(glazing) 의 개발에 주력하고 있다.
6. 메이커 동향
○ 독일의 Bayer 그룹과 Sabic IP 그룹의 2대 메이커가 약 100만 톤 이상 의 능력을 보유하고 있다. 이어서 Mitsubishi그룹, Teijin Kasei그룹이 약 50만 톤 정도이고, Styron 그룹과 Idemitsu 그룹이 참여하고 있다. PC의 세계시장은 아시아를 중심으로 증가하고 있으며, 최근 이 지역을 중심으로 설비증설이 활발하게 이루어지고 있다. 가까운 장래에 PC의 생상능력은 500만 톤을 초과하여 범용화가 이루어질 것으로 보인다.
7. 결언
○ PC가 엔지니어링 플라스틱의 최대 시장규모를 가지게 된 데에는 광 미디어나 OA기기의 하우징 등 새로운 신규 대형 수요가 생겨나고 생산 규모 확대에 따른 코스트 저하 등으로 인해 범용화가 진행된 요인이 크다. PC의 우수한 물성 밸런스로 보아 앞으로도 지속적인 세계적 성장 여력도 충분해 보인다.
출처 : 安田武夫, “PC(ポリカ.ボネ.ト)”, 「工業材料(日本)」, 60(5), 2012, pp.91~95
.전문가 제언.
○ 플라스틱은 인류에게 가장 편리하게 사용할 수 있는 재료의 하나로서 20세기 들어 획기적으로 일상생활과 산업용으로 많이 사용되어 왔다. 근대에 들어 석유화학 공업의 발달에 따라 대량 생산이 가능해지면서 일상용의 수요가 폭발적으로 늘어난 한편, 산업용이나 금속을 대체할 수 있는 특수용도에 대한 수지 수요도 증가하고 있다. 따라서 20세기 후반부터 공업용수지(engineering plastics)에 대한 개발이 확대되었다.
○ 이 중에서 폴리카보네이트는 내충격성, 내열성, 고투명성, 치수안정성 등 수지의 4대 특성을 균형 있게 겸비한 엔지니어링 플라스틱 소재이자 IT, 전기·전자, 광학소재나 자동차분야 등에서 수요가 급증하고 있는 고분자 소재계의 “핫 아이템”이다. PC의 우수한 물성 밸런스 영향으로 1990년대에 들어와서는 수요나 생산 면에서 공업용수지 제1의 위치를 차지하고 있다. 장래에도 PC 수지에 대한 개발의 잠재력은 매우 클 것으로 전망하고 있다.
○ PC의 국제적 수요를 보면 2012년에 500만 톤을 넘어설 것으로 전망된다. 우리나라의 경우도 LG화학, 제일모직, 호남석유, 삼양화성이 참여 하여 금년에 제일모직이 증설을 완료하면 연산 53만 톤의 생산설비를 보유하게 되며, 세계 시장 대비 약 10%의 비중을 차지할 것으로 보인 다. 세계적으로는 GE, Bayer, Dow 등 3사가 세계시장의 80%를 점유하 고 있고, 최근에는 수요가 급증하고 있는 중국 등 아시아에 신증설이 집중되고 있다.
○ 우리나라 고분자 업계도 변성 PPE를 제외한 5대 엔지니어링 플라스틱 소재를 모두 국산화하고 있다. 최근에 더욱 각광을 받고 있는 PC는 국 내 메이커들이 적극적인 생산 확대에 나서고 있지만 오랜 기간 역사를 쌓아온 미국, 유럽, 일본 같은 선진국 업계와 비교하면 아직 갈 길이 멀다고 보아야 한다. 기술면에서 빠른 속도로 거리를 좁혀가고 있지만 신기술 및 공법 개발이라는 면에서는 아직 격차가 있으며, 보다 과감하 게 역량을 집중하여 엔지니어링 플라스틱 산업의 기반을 다지기에 매 진할 필요가 있다.
